序列移相跳頻組網(wǎng)分析與設(shè)計(jì)?

張世杰，全厚德，崔佩璋

序列移相跳頻組網(wǎng)分析與設(shè)計(jì)?

張世杰，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，石家莊050003）

為了提高跳頻網(wǎng)絡(luò)的通信效率，提出了利用同一跳頻序列的相位差異實(shí)現(xiàn)跳頻組網(wǎng)的方案。首先，以m序列為例分析了跳頻序列移相的原理和實(shí)現(xiàn)方法；然后，將管理通道和數(shù)據(jù)通道相分離進(jìn)行序列移相跳頻組網(wǎng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)劃，給出了跳頻序列的移相值優(yōu)化方案。該方案具有網(wǎng)絡(luò)管理靈活方便、通信效率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，序列移相跳頻組網(wǎng)的網(wǎng)間干擾與異步組網(wǎng)相比有較大幅度改善。

跳頻組網(wǎng)；序列移相；頻率碰撞；網(wǎng)間干擾

1 引言

隨著跳頻通信在軍事通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如何對(duì)跳頻電臺(tái)和頻率資源進(jìn)行有效組織管理，進(jìn)一步提高跳頻通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和頻譜利用率，最終實(shí)現(xiàn)用戶間的高效通信成為一個(gè)重要的課題。

目前，鏈路級(jí)的跳頻通信技術(shù)已比較成熟，而跳頻組網(wǎng)的研究相對(duì)較少，主要集中在同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)的性能分析和改善上，尚未提出新的跳頻組網(wǎng)方法，如文獻(xiàn)［1］提出了一種跳頻頻率表動(dòng)態(tài)正交的異步組網(wǎng)方式，提高了異步組網(wǎng)的組網(wǎng)效率；文獻(xiàn)［2］給出了一種基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的同步組網(wǎng)方案；文獻(xiàn)［3］采用兩種方法分析了同步組網(wǎng)、異步組網(wǎng)的頻率碰撞，為網(wǎng)間干擾研究提供了參考。跳頻組網(wǎng)研究雖然取得了一定進(jìn)展，但仍然存在同步組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)難度大、異步組網(wǎng)效率低等問題。本文提出一種新的跳頻組網(wǎng)方案，該方案具有建網(wǎng)速度快、網(wǎng)絡(luò)管理靈活、用戶間相互干擾較小等優(yōu)點(diǎn)，具有一定參考價(jià)值。

2 常規(guī)跳頻組網(wǎng)方式

跳頻通信裝備的組網(wǎng)主要包括頻分組網(wǎng)和碼分組網(wǎng)兩大類。實(shí)際應(yīng)用中，通常將頻分組網(wǎng)和碼分組網(wǎng)結(jié)合使用，以充分利用頻譜資源，提高網(wǎng)絡(luò)的抗偵察干擾能力［4］。碼分組網(wǎng)又可以按照是否具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)分為同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)。

同步組網(wǎng)時(shí)，跳頻網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，要求各網(wǎng)電臺(tái)的跳頻技術(shù)體制（同步算法、跳速、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、跳頻圖案算法等）、跳頻密鑰和頻率表等要素相同［5］。在嚴(yán)格同步的情況下，通過合理的跳頻序列設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各跳頻網(wǎng)的正交。嚴(yán)格同步是指各網(wǎng)的每一跳的起跳時(shí)刻和頻率駐留時(shí)間相同，起跳點(diǎn)在各跳頻序列的同相移點(diǎn)，并且要求在跳頻通信過程中嚴(yán)格維持這種同步關(guān)系。當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)由于時(shí)鐘漂移而產(chǎn)生相移偏差時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成網(wǎng)間干擾，網(wǎng)絡(luò)的同步維持必須依靠高精度時(shí)鐘信息的頻繁交換完成，實(shí)現(xiàn)難度較大。實(shí)際應(yīng)用中通常要求本網(wǎng)的主臺(tái)與上級(jí)網(wǎng)的任一電臺(tái)是同一車的車載電臺(tái)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)同步組網(wǎng)，使用受到限制。

異步組網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)跳頻參數(shù)應(yīng)一致，而網(wǎng)與網(wǎng)間密鑰、網(wǎng)號(hào)不同，沒有跳頻時(shí)序約束關(guān)系。異步組網(wǎng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是組織使用方便、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用靈活，因此成為目前最常用的組網(wǎng)方式。異步網(wǎng)缺點(diǎn)是網(wǎng)與網(wǎng)間存在頻率碰撞問題。同一跳頻頻率表上的跳頻網(wǎng)絡(luò)，一般使用同一跳頻序列族，網(wǎng)絡(luò)分配不同的跳頻序列。跳頻序列由網(wǎng)號(hào)標(biāo)示，作為其網(wǎng)絡(luò)地址。由于各網(wǎng)之間存在頻率碰撞，組網(wǎng)數(shù)量較少，約為跳頻頻率數(shù)的1／3，組網(wǎng)效率不及同步組網(wǎng)方式。因此，在高密度組織異步跳頻通信網(wǎng)時(shí)，要求有足夠的頻率資源。在頻率資源日趨緊張的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，該缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了異步組網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用。

3 跳頻序列的相移實(shí)現(xiàn)

序列移相跳頻組網(wǎng)僅使用一個(gè)跳頻序列，利用跳頻序列的相位差異，同時(shí)建立多條跳頻通信鏈路。跳頻電臺(tái)使用的跳頻序列均經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)具有良好的自相關(guān)性和較長(zhǎng)的序列周期，以對(duì)抗跳頻通信的多徑干擾和提高同步性能。本文以基于m序列構(gòu)造的跳頻序列為例，介紹序列移相的實(shí)現(xiàn)方法。

基于有限域GF（p）上的n級(jí)m序列發(fā)生器，以發(fā)生器的r個(gè)相鄰級(jí)控制頻率合成器，稱為L(zhǎng)-G模型，原理如圖1所示［4］。

圖1中，a1，a2，…，an為乘法器的系數(shù)，-c1，-c2，…，-cn為初始密鑰。

取m序列中的r個(gè)連續(xù)元素，逐項(xiàng)與r位網(wǎng)號(hào)進(jìn)行運(yùn)算生成跳頻序列，其關(guān)系運(yùn)算式為

m序列是在時(shí)鐘的推動(dòng)下生成的，時(shí)鐘每向前推進(jìn)一個(gè)單元，移位寄存器移出一位，即產(chǎn)生一個(gè)m序列元素，直至整個(gè)m序列產(chǎn)生?；趍序列LG模型構(gòu)造跳頻序列時(shí)，r個(gè)連續(xù)的m序列元素相關(guān)運(yùn)算后得到一個(gè)跳頻序列元素，并按照時(shí)鐘單元依次推進(jìn)，最終pn-1個(gè)m序列元素生成pn-1個(gè)跳頻序列元素。由上可知，一個(gè)時(shí)鐘單元對(duì)應(yīng)一個(gè)跳頻周期，本地時(shí)鐘延時(shí)（或前移）i個(gè)基本單元，對(duì)應(yīng)將跳頻序列的生成時(shí)刻延時(shí)（或前移）i個(gè)相位，完成了跳頻序列的移相。跳頻序列移相原理如圖2所示。

跳頻序列的相移可以通過改變抽頭選取m序列中r個(gè)連續(xù)元素的時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于跳頻通信系統(tǒng)，即通過改變跳頻電臺(tái)本地實(shí)時(shí)時(shí)間（Time of Day，TOD）實(shí)現(xiàn)相移。實(shí)時(shí)時(shí)間TOD在電臺(tái)操作面板上以“年月日時(shí)分秒”的方式顯示，在電臺(tái)內(nèi)部以跳為單位控制跳頻序列的生成。綜上，改變TOD值可以改變頻率合成器的起跳點(diǎn)，按照新的規(guī)律生成跳變的載波頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)跳頻序列的移相。

4 組網(wǎng)過程

4.1 基本概念

序列移相跳頻組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)形，各節(jié)點(diǎn)處于同一等級(jí)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接建立通信鏈路，各通信鏈路使用同一跳頻序列的不同起跳點(diǎn)來避免相互間的干擾。序列移相跳頻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配兩部電臺(tái)：管理電臺(tái)和數(shù)據(jù)電臺(tái)，兩部電臺(tái)協(xié)同工作完成跳頻通信。管理電臺(tái)之間互通管理信息，數(shù)據(jù)電臺(tái)之間互通數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)內(nèi)所有管理電臺(tái)保持時(shí)鐘同步，發(fā)送管理信息時(shí)，采用網(wǎng)呼形式，即將管理信息發(fā)給網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，保證管理信息的時(shí)效性。數(shù)據(jù)電臺(tái)時(shí)鐘不需要維持時(shí)鐘同步，數(shù)據(jù)信息的發(fā)送根據(jù)具體需要采用網(wǎng)呼或選呼形式。

由于每部數(shù)據(jù)電臺(tái)在鏈路建立前均需要進(jìn)行TOD調(diào)整，造成各數(shù)據(jù)電臺(tái)的TOD差異較大，而管理電臺(tái)的TOD始終保持一致，所以在確定鏈路起跳時(shí)刻時(shí)應(yīng)以管理電臺(tái)的實(shí)時(shí)時(shí)間為準(zhǔn)。鏈路的起跳時(shí)刻對(duì)應(yīng)于管理電臺(tái)的TOD，起跳點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)電臺(tái)的TOD。

管理信息主要有兩個(gè)作用：一是用于更新注冊(cè)表，每次通信鏈路建立或結(jié)束時(shí)，發(fā)送管理信息，標(biāo)示網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)的改變；二是攜帶數(shù)據(jù)電臺(tái)的同步信息（主要為TOD值），完成數(shù)據(jù)電臺(tái)間的跳頻同步，格式見圖4。注冊(cè)表存儲(chǔ)于管理電臺(tái)內(nèi)部，是管理信息的累積和更新，每次收到管理信息后，均更新注冊(cè)表信息。注冊(cè)表信息反映了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，包括正在工作的通信鏈路數(shù)，各鏈路的起跳時(shí)刻、起跳點(diǎn)、大約持續(xù)時(shí)間，處于跳頻通信狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)等信息，為建立新的通信鏈路提供參考。

4.2 組網(wǎng)過程

設(shè)跳頻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，在鏈路1正常跳頻通信的基礎(chǔ)上，利用序列移相方式建立鏈路2的主要過程如下：

（1）發(fā)射機(jī)（節(jié)點(diǎn)2）根據(jù)注冊(cè)表信息計(jì)算跳頻序列起跳點(diǎn)，使網(wǎng)內(nèi)通信鏈路間干擾最小，根據(jù)起跳點(diǎn)更改數(shù)據(jù)電臺(tái)的TOD值，確定管理信息內(nèi)容；

（2）發(fā)射機(jī)以網(wǎng)呼的形式發(fā)送管理信息，標(biāo)示通信鏈路2建立；

（3）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均正確接收管理信息后，更新注冊(cè)表信息；

（4）接收機(jī)（節(jié)點(diǎn)3）收到管理信息后，修正TOD值，與發(fā)射機(jī)建立同步，并回復(fù)確認(rèn)信息；

（5）發(fā)射機(jī)收到確認(rèn)信息后，開始跳頻通信，數(shù)據(jù)電臺(tái)間開始互傳數(shù)據(jù)；

（6）通信完畢后，返回掃描狀態(tài)，并向網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送管理信息，標(biāo)示鏈路2通信結(jié)束；各節(jié)點(diǎn)收到管理信息后，再次更新注冊(cè)表信息。

數(shù)據(jù)電臺(tái)主要依靠同一節(jié)點(diǎn)的管理電臺(tái)接收管理信息，修正數(shù)據(jù)電臺(tái)TOD值，來實(shí)現(xiàn)與發(fā)射機(jī)同步。管理電臺(tái)的通信狀況將直接影響數(shù)據(jù)電臺(tái)的同步性能，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，所以管理電臺(tái)的高可靠性和管理信息的抗干擾性尤為重要，需要著重考慮。需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)管理電臺(tái)始終處于跳頻通信狀態(tài)，共享通信鏈路信息，使注冊(cè)表能夠及時(shí)更新，準(zhǔn)確反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建立新的通信鏈路提供支持。

4.3 移相位置優(yōu)化

通信鏈路起跳點(diǎn)的選取主要有兩種方法，一是隨機(jī)選取，二是基于鏈路狀態(tài)分析得到起跳點(diǎn)。本節(jié)將介紹基于鏈路狀態(tài)分析得到起跳點(diǎn)的方法，使得移相位置較優(yōu)，盡可能減少鏈路間干擾。

為更好逼近實(shí)際電臺(tái)通信性能，本方案參數(shù)設(shè)計(jì)如下：跳速500 hop／s，跳頻圖案生成算法如第3節(jié)所述，序列周期220-1，跳頻集數(shù)目256。

設(shè)定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)共建立了兩條通信鏈路，鏈路的通信狀態(tài)如下：鏈路1的起跳點(diǎn)為跳頻序列的21#位置，起跳時(shí)刻為0 s，大約通信1 min；鏈路2的起跳點(diǎn)為跳頻序列的67#位置，起跳時(shí)刻為10 s，大約通信1 min。需要建立新的鏈路3，新鏈路的跳頻起跳時(shí)刻定為20 s，大約通信1 min。根據(jù)當(dāng)前鏈路狀態(tài)選擇合理的鏈路起跳點(diǎn)，以使對(duì)正在通信的鏈路（鏈路1、2）干擾最小，計(jì)算示意如圖5所示。針對(duì)上述條件進(jìn)行仿真分析，得到鏈路3的起跳點(diǎn)位置選取對(duì)在網(wǎng)鏈路的干擾程度，如圖6所示。

圖6給出了新的鏈路起跳點(diǎn)選取后，在鏈路重合時(shí)間段內(nèi)與兩條鏈路頻點(diǎn)碰撞個(gè)數(shù)的總和，一定程度上反映了鏈路間的相互干擾程度。方案共研究了1 000個(gè)相移值，仿真結(jié)果顯示：相移值為744時(shí)，碰撞個(gè)數(shù)最小為121；相移值為542時(shí)，碰撞個(gè)數(shù)最大為235；平均碰撞個(gè)數(shù)為為174.9。故在新的鏈路建立時(shí)選擇合適的起跳點(diǎn)進(jìn)行移相位置優(yōu)化，能夠很大程度上減少鏈路間的相互干擾。

5 性能分析

（1）實(shí)現(xiàn)難度低于同步組網(wǎng)

序列移相跳頻組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)同步只需實(shí)現(xiàn)管理電臺(tái)間的同步，無需網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)的同步，降低了對(duì)時(shí)鐘精度的要求；數(shù)據(jù)電臺(tái)的跳頻同步是通過管理電臺(tái)間互通同步信息實(shí)現(xiàn)的，采用基于TOD的同步方法，并且對(duì)于該方法研究已經(jīng)比較成熟［6］，可以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的跳頻同步。另一方面，由管理電臺(tái)統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)信息，能夠較清楚地了解網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀態(tài)，方便進(jìn)行高效的資源管理、鏈路分配和擁塞控制等，使網(wǎng)絡(luò)的靈活性和抗毀性有較大提高。序列移相跳頻組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)難度與同步組網(wǎng)相比有較大改善，與異步組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)。

（2）組網(wǎng)效率高于異步組網(wǎng)

獨(dú)立參考模型在工程計(jì)算中應(yīng)用較廣泛［2］，獨(dú)立碰撞模型下，異步組網(wǎng)時(shí)指定接收用戶的每一個(gè)跳頻碼與其他u個(gè)用戶的跳頻碼相碰撞的概率為

式中，q為頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，u為用戶個(gè)數(shù)（鏈路數(shù)）。

根據(jù)仿真模型，進(jìn)行異步組網(wǎng)頻率碰撞仿真（考慮由于相位差異引起的左、右碰撞），并與獨(dú)立碰撞模型的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。異步組網(wǎng)時(shí)，每個(gè)子網(wǎng)分配一個(gè)跳頻序列，子網(wǎng)內(nèi)部的電臺(tái)通常采用TDMA的方式組織通信［6］，對(duì)組網(wǎng)效率的計(jì)算沒有影響，可以將一個(gè)子網(wǎng)視為一條鏈路。比較結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，異步組網(wǎng)時(shí)鏈路間的相互干擾較大，當(dāng)碰撞率要求為0.1時(shí)，約能建立15個(gè)通信鏈路，表示可以允許15個(gè)異步子網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作。從兩條曲線的擬合度可以看出該仿真模型符合獨(dú)立碰撞模型，仿真結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，仿真模型可以進(jìn)一步使用。

應(yīng)用該仿真模型對(duì)新方案的組網(wǎng)性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，圖8分別給出了移相位置隨機(jī)選取和移相位置優(yōu)化處理兩種情況下的組網(wǎng)性能。橫坐標(biāo)表示同時(shí)工作的鏈路個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示跳速為500 hop／s的跳頻電臺(tái)工作1 min時(shí)其他鏈路對(duì)參考鏈路的碰撞率。

由圖8可見，序列移相跳頻組網(wǎng)的頻點(diǎn)碰撞率要比異步組網(wǎng)時(shí)的小很多，移相位置優(yōu)化后組網(wǎng)性能更優(yōu)。使用相同的頻譜資源，碰撞率相同的條件下，新方案可以容納更多的通信鏈路，組網(wǎng)效率較異步組網(wǎng)有一定的提高。

（3）抗跟蹤干擾性能較強(qiáng)

對(duì)跳頻通信的跟蹤干擾建立在有效分選跳頻網(wǎng)臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)跳頻網(wǎng)的信號(hào)特征，引導(dǎo)干擾機(jī)發(fā)射頻率跳變的干擾信號(hào)實(shí)施跟蹤干擾。常規(guī)組網(wǎng)方式下，在網(wǎng)臺(tái)分選成功后敵方實(shí)施跟蹤干擾時(shí)，只能通過改變跳頻頻率表或跳頻密鑰的方式躲避干擾，影響通信效率。序列移相跳頻組網(wǎng)方式下的跳頻網(wǎng)在遭受到跟蹤干擾時(shí)，可以改變序列相位值建立新的跳頻通信鏈路，躲避跟蹤干擾。敵方想要繼續(xù)干擾則需要重新進(jìn)行網(wǎng)臺(tái)分選，降低了跟蹤干擾對(duì)通信質(zhì)量的影響。

6 總結(jié)

本文利用跳頻序列的良好自相關(guān)性實(shí)現(xiàn)跳頻組網(wǎng)，提出了管理信息與數(shù)據(jù)信息分離發(fā)送的方法，并進(jìn)行序列移相跳頻組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和組網(wǎng)過程設(shè)計(jì)，保證網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)難度遠(yuǎn)低于同步組網(wǎng)。仿真結(jié)果表明，新方案與異步組網(wǎng)相比具有較小的鏈路干擾，組網(wǎng)性能有較大提高。下一步的研究重點(diǎn)是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的合理規(guī)劃，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和管理信息的可靠性。

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ZHANG Shi-jie was born in Puyang，Henan Province，in 1988. He received the B.S.degree from China University of Petroleum in 2010.He is now a graduate student.His research concerns the theory and technology of frequency hopping communications.

Email：zhangshijiede＠163.com

全厚德（1963—），男，遼寧大連人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榍閳?bào)指揮系統(tǒng)、通信設(shè)備性能測(cè)試。

QUAN Hou-de was born in Dalian，Liaoning Province，in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns the information command system and the test of communication equipment.

Design and Analysis of Sequence Phase-shifting Frequency-hopping Communication Network

ZHANG Shi-jie，QUAN Hou-de，CUI Pei-zhang
（Department of Optics and Electronic Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To improve the efficiency of frequency-hopping（FH）communication network，F(xiàn)H-sequence phase -shifting is used to build FH communication network.First，the theory and method of sequence phase-shifting is analysed based on the m sequence.Second，the networking process and protocol are expounded in great detail while the system is divided into control channel and data flow channel.And a method is proposed to optimize the phase-shifting value.Such advantages as flexibility in network control，high efficiency and powerful anti-jamming performance are shown for the new designed network.The simulation results show that sequence phase-shifting FH communication network possesses a low inter-network interference compared with asynchronous network.

FH communication networking；sequence phase-shifting；frequency hit；inter-network interference

TN914.41

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.027

張世杰（1988—），男，河南濮陽人，2010年于中國(guó)石油大學(xué)（華東）獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘l通信理論與技術(shù)；

1001-893X（2012）07-1178-05

2012-01-04；

2012-03-12